小行星着陆装置及其侵彻锚固的研究

发布时间：2019-07-12 11:38

【摘要】：小行星着陆探测是深空探测新兴的研究方向，，对了解太阳系起源和开发利用小行星等具有重要的科学及经济价值。本文将主要研究小行星着陆装置及其在小行星表面的软着陆、着陆装置在小行星表面的锚固和着陆装置在地面环境下的模拟实验三个关键问题。通过分析小行星特点，指出了小行星着陆装置设计的约束条件，在该约束条件下对小行星着陆装置进行了结构设计。其结构主要包括着陆机构和锚系统，着陆机构又包含着陆脚、着陆架、调姿单元、缓冲单元、负载单元等，锚系统又包括侵彻单元、推进单元、缠绕单元、减振单元等。着陆机构实现负载单元内部仪器设备在小行星表面的软着陆，而锚系统实现着陆机构在小行星表面着陆后的锚固。着陆装置在小行星表面的安全着陆是进行着陆探测的前提，因此要求着陆装置具有良好的着陆性能。着陆性能的主要评价指标为负载单元过载加速度和着陆稳定时间，这两个指标可通过着陆动力学进行计算。通过分析着陆装置结构特点和着陆策略，采用Lagrange方程建立了二维着陆动力学模型，该模型对小行星着陆装置在着陆及翻转阶段的动力学特性进行了描述，从动力学模型中可以看出影响着陆性能的主要因素包括反推力、缓冲单元阻尼和调姿单元阻尼。为了获得较好的着陆性能，对反推力、缓冲单元阻尼参数进行了设计，并在此基础上利用动力学模型对调姿单元阻尼进行了设计，然后利用这些参数对着陆装置的着陆性能进行了仿真分析。此外，对影响着陆性能的因素如调姿单元阻尼、着陆脚表面的锚钉、着陆面倾角、着陆姿态等进行了仿真分析，通过分析着陆性能影响因素可以指导着陆初始条件的选择，以提高着陆性能。由于小行星表面为微重力且其自身高速自转，着陆装置在小行星表面极易飘走，着陆后着陆装置需要通过锚系统固定在小行星表面。为了分析锚系统侵彻速度与锚固力之间的关系，首先建立了锚系统在莫尔-库仑介质中的侵彻方程，该方程对侵彻深度与侵彻速度、锚体质量、锚尖形状、介质参数等之间的数学关系进行了描述；其次建立了锚系统在莫尔-库仑介质中的锚固模型，该模型对锚固力与侵彻深度和介质参数等之间的数学关系进行了描述；然后以侵彻深度为纽带，建立了锚固力与侵彻速度之间的数学关系。此外通过侵彻分析选择锚系统锚尖为锥形并对其几何尺寸进行了设计，并利用侵彻方程对影响侵彻深度的因素进行了分析。目前对小行星着陆装置的地面模拟实验研究较少，且地面模拟实验对验证小行星着陆装置性能具有关键意义，为此本文对着陆装置在地面环境下的微重力着陆和侵彻及锚固进行了实验。设计了气浮微重力实验平台和侵彻及锚固实验平台，采用气浮微重力实验平台分析了着陆装置在不同速度、姿态和着陆面倾角等情况下着陆时的过载加速度和稳定时间，并对其着陆性能进行评价；采用侵彻及锚固实验平台对锚系统在粘土、细沙、冰、雪、石膏和水泥等多种不同介质中的侵彻及锚固性能进行实验，通过分析侵彻深度及锚固力对其性能进行分析。
文内图片： Surveyor1月球着陆装置

图片说明：第 1 章绪论缓冲装置[16]。1974 年返回地球，取样返回大约 105g 月壤[17]。(4) Viking 系列火星着陆装置美国在 1975 年先后发射了 Viking 1 和Viking 2 探测器，每个探测器都包括轨道器和着陆装置。Viking 1 是第一个成功在火星上着陆的探测器，其主要任务是获取火星表面高分辨率的图像、了解火星大气和火星表面的组成结构特点、寻找生命迹象等。着陆装置如图 1-4 所示，其包括着陆装置基体、生物防护罩和基座、减速伞、药筒盖和降落伞系统以及着陆装置子系统。整个装备直径跨度约 3 m，高约 2 m，重约 576 kg（不包含燃料）。着陆装置由三个 1.3 m 长的着陆腿支撑，着陆装置离开地面 22 cm。每个着陆腿有一个主支杆部件和一个 A 型结构部件，一个直径为 30.5 cm 的着陆脚连接在其上，主支杆内有蜂窝铝缓冲材料[18]。竖直着陆速度 Vv≤2.14m/s，水平着陆速度 Vh≤1m/s[19]。
文内图片： Apollo11着陆装置

【参考文献】